Ionosonda

La ionosonda  es un radar especializado para determinar las alturas de reflexión de las ondas de radio de varias frecuencias de la ionosfera , las frecuencias críticas de la ionosfera [K 1] y la distribución de altitud de la densidad de electrones . La ionosonda incluye un transmisor de pulsos que opera en varias frecuencias fijas o en un rango continuo de frecuencias, una antena que proporciona la transmisión de pulsos de sondeo, un receptor , dispositivos de sincronización y medios de visualización [2] .

Sin embargo, la altura de las capas de la ionosfera está determinada por el tiempo de demora de recepción de la señal reflejada en relación con la emitida, dado que la velocidad real de propagación de las ondas de radio en la región de reflexión es menor que la velocidad de la luz y depende de el índice de refracción de la ionosfera, no es la altura de reflexión verdadera, sino la llamada altura de reflexión aparente o “actuante” que se determina. Como resultado de escanear la ionosfera a diferentes frecuencias, se obtienen sus características de frecuencia de altura o ionogramas [3] .

Las ionosondas terrestres colocadas en estaciones ionosféricas permiten estudiar la parte inferior de la ionosfera, hasta la altura de su máximo principal [K 2] . Para los estudios de la ionosfera exterior, las ionosondas se colocan en cohetes geofísicos y en satélites terrestres artificiales , que se lanzan en órbitas circulares, normalmente con una altitud de unos 1000 km [2] [5] .

Historia

Allá por 1901, G. Marconi realizó una transmisión por radio de un mensaje a través del Océano Atlántico, y en 1902 O. Heaviside propuso para explicar este experimento la teoría de la ionización de las capas superiores de la atmósfera por la radiación solar con la formación de un capa eléctricamente conductora que refleja las ondas de radio. Sin embargo, durante mucho tiempo esta teoría no fue aceptada por los científicos, y el experimento de Marconi se explicaba por la difracción de ondas de radio en la superficie esférica de la Tierra. La evidencia directa de la existencia de una capa eléctrica conductora en las capas superiores de la atmósfera terrestre fueron los resultados de los primeros experimentos sobre sondeos de radio de la ionosfera, publicados en 1926, realizados por los científicos estadounidenses G. Bright y M. Tuve [6] . A mediados de la década de 1920, hubo un crecimiento explosivo en los estudios experimentales de la ionosfera y se crearon las primeras teorías de las capas ionosféricas. En la década de 1930, aparecieron redes de laboratorios que estudiaban la ionosfera en varias latitudes y bajo diversas condiciones geofísicas utilizando métodos de radiosondeo. En la década de 1950, comenzó la producción industrial de ionosondas automáticas y se creó una red mundial de unas 150 estaciones ionosféricas, que realizaban sondeos de radio verticales coordinados, regulares, simultáneos y uniformes de la ionosfera. En la década de 1960 se inició la instalación de ionosondas en satélites artificiales de la Tierra, lo que permitió sondear la ionosfera por encima de la región del máximo principal y estudiar las características y propiedades de su parte exterior [7] .

Aplicación

El reflejo de las ondas de radio, principalmente del rango de decámetros , desde la ionosfera es la base para el funcionamiento de muchos sistemas de ingeniería de radio. Para asegurar y predecir el funcionamiento de estos sistemas, el conocimiento de las propiedades actuales de la ionosfera y sus cambios esperados en se requiere una escala global. Para estudiar la ionosfera en muchos países se han creado servicios ionosféricos especializados, cuyo principal instrumento son las estaciones de sondeo ionosférico o estaciones ionosféricas [8] .

El principal objeto de estudio en la investigación aplicada de la ionosfera son los electrones presentes en ella, los cuales interactúan con las señales de radio de manera mucho más eficiente que los iones pesados ​​y afectan su propagación [9] . A escala macroscópica, este efecto se describe en términos de un cambio en la permitividad del medio , que está relacionado con la concentración de electrones . La relación entre la constante dieléctrica del medio y la concentración de electrones se expresa mediante la fórmula:

, donde es la concentración de electrones, es la carga del electrón, es la masa del electrón, es la frecuencia circular de la onda electromagnética actuante. Esta relación también se puede expresar en términos de la llamada frecuencia de plasma , que depende de la densidad electrónica local: , donde es la frecuencia del plasma, y ​​es la frecuencia de la onda [8] .

Al sondear la ionosfera, se observa el reflejo de las ondas de radio cuando su frecuencia coincide con la frecuencia de plasma de las características estructurales de la ionosfera, es decir, cuando se cumple la condición . Las ionosondas proporcionan información con una alta relación señal/ruido y permiten medir la dependencia de la densidad de electrones en el plasma ionosférico con la altura con una precisión muy alta. Estas mediciones se pueden automatizar fácilmente, y el procesamiento informático complejo de parámetros de la señal recibida como retardo de grupo, amplitud, fase, polarización y desplazamiento Doppler permite obtener no solo información sobre la densidad de electrones en la ionosfera, tradicional para ionosondas , pero también datos sobre otros parámetros de la atmósfera terrestre [7] .

Métodos de sondeo ionosférico

El sondeo ionosférico se divide, según la ubicación de las fuentes y los receptores de la señal de sondeo, en vertical (VZ), oblicuo (NS), recíproco-oblicuo (VIS), externo (VIS) y transionosférico (TIZ) [9] .

Sondeo vertical

El sondeo vertical, en el que una señal de pulso se envía verticalmente hacia arriba usando una antena direccional, y la ubicación del transmisor y el receptor de los pulsos es la misma, es el método más común, sensible e informativo para estudiar la atmósfera superior y la Tierra cercana. espacio. En función del tiempo de retraso de recepción de la señal reflejada desde la ionosfera en relación con la señal transmitida, se calcula la altura de reflexión efectiva a una frecuencia determinada. Dado que la velocidad de propagación de las señales en la ionosfera debido a su interacción con las partículas cargadas es menor que la velocidad de la luz, la altura efectiva siempre excede la altura real de la capa reflectante, cuanto mayor sea la concentración de partículas cargadas en la ionosfera y la más fuerte su influencia sobre las señales que se propagan en él. Con VZ, se aumenta la frecuencia de la portadora de pulsos de radio, cada pulso puede dejar una o varias huellas en el ionograma , hasta que la frecuencia supera la crítica, en la que no se observa reflexión por las capas de la ionosfera [10] .

Sonido oblicuo y sonido alternativo

Con el sonido oblicuo multifrecuencia, los sistemas de recepción y transmisión de la ionosonda están separados en el espacio, y los procesos de emisión y recepción de pulsos están sincronizados en el tiempo con gran precisión. El método de sondeo oblicuo permite investigar experimentalmente el paso de ondas de radio en un rango fijo y evaluar el estado de la ionosfera en la región del punto medio de la ruta de radio, donde se refleja la señal (propagación de un solo salto). El sondeo oblicuo proporciona una medición directa de la frecuencia máxima utilizable para un rango de ruta de radio dado. Los ionogramas obtenidos como resultado del sondeo oblicuo reflejan la dependencia de la frecuencia del retardo de grupo de las señales que han pasado por diferentes caminos en la ionosfera hasta el punto de recepción [11] . En el sondeo de inclinación hacia atrás, se instala un receptor de ionosonda más en el mismo punto que el transmisor. que recibe pulsos dispersos "hacia atrás" en las faltas de homogeneidad de la ionosfera en el punto medio de la ruta de radio. Para las señales recibidas durante el sondeo alternativo, la condición no se cumple, se estima la dependencia de la frecuencia del retardo de grupo de las señales asociadas con la concentración de electrones [7] .

Sondeo de radio externo

El sondeo externo es un método de sondeo de radio de la ionosfera, en el que el transmisor y el receptor de la ionosonda se instalan en un satélite terrestre artificial . Los sondeos externos permiten obtener información sobre la estructura y los procesos a alturas comprendidas entre la órbita del satélite y la capa crítica. En el caso de que la órbita de la nave espacial se encuentre por debajo de la altura de la capa F 2 , se puede utilizar el término "sondeo de radio interno". Con sondeos externos se puede obtener información sobre la frecuencia crítica y la altura del máximo de la capa F 2 y la distribución de la densidad electrónica desde la altura de la órbita del satélite hasta la capa F 2 , inaccesible para los sondeos terrestres . Al mismo tiempo, el sondeo externo no proporciona información sobre las capas internas de la ionosfera F 1 , D y E estudiadas por métodos de sondeo terrestre [12] . Los primeros experimentos de sondeo externo de la ionosfera comenzaron en 1962 en el satélite canadiense Alouette 1 , que estuvo en funcionamiento durante unos 7 años. Posteriormente, se continuó con estos estudios en los satélites canadienses Alouette 2 e ISIS , American Explorer-20 , Soviet Kosmos-381 , Interkosmos-19 , Kosmos-1809 , Japanese Ohzora (EXOS-C) [13] [14] .

La instalación de una ionosonda en naves espaciales que investigan la ionosfera se utiliza con relativa poca frecuencia, ya que requiere transmisores con una potencia de cientos de vatios y grandes sistemas de antena, y el funcionamiento de la ionosonda interfiere con el funcionamiento de otros sistemas de satélites y limita el número de estudios realizados simultáneamente. El último satélite desde el que se realizó un sondeo externo de la ionosfera fue Kosmos-1809, que operó entre 1986 y 1993. A fines de la década de 1990, se llevó a cabo un sondeo de radio de la ionosfera desde la estación orbital Mir , pero su órbita baja no permitía explorar la capa superior de la ionosfera [15] [16] . Desde principios de la década de 2000, se prepara el lanzamiento del complejo multisatélite especializado ruso "Ionozond" , que incluirá satélites "Ionosfera-M", equipados, junto con otros equipos científicos, con ionosondas [17] [18] .

Sondeo transionosférico

El sondeo transionosférico también se lleva a cabo utilizando transmisores de ionosonda instalados en naves espaciales. En este caso, el receptor está ubicado en la estación terrestre y debe sincronizarse con alta precisión con el transmisor que emite los pulsos. Para la sincronización, se utiliza un canal de radio separado entre el satélite y la estación terrestre, que opera a altas frecuencias, del orden de 100 MHz o más, y transmite marcas de tiempo. La señal de sondeo de frecuencia variable se transmite desde el satélite en el rango de onda corta. En la estación terrestre, se fija el retardo de la señal de sondeo en relación con la señal de sincronización, y la dependencia de la frecuencia de este retardo, recalculada en distancia, se registra en forma de transionograma. También se utiliza el sondeo transionosférico inverso, cuando una estación terrestre emite una señal de sonido de frecuencia variable, y el equipo a bordo del satélite registra la función de su retardo de frecuencia y la transmite a la Tierra a través de un canal de telemetría . Los primeros experimentos del mundo sobre sondeos transionosféricos hacia adelante y hacia atrás se llevaron a cabo en la nave espacial Interkosmos-19 en 1979 [19] y continuaron en Kosmos-1809 y la estación Mir [20] [21] . Asimismo, para los sondeos transionosféricos se utilizan señales de satélites de navegación , según cuyos datos de propagación es posible estimar la concentración de electrones a lo largo de su trayectoria a través de la ionosfera [22] .

Notas

Comentarios
  1. ↑ Frecuencia crítica: la frecuencia más alta a la que las ondas de radio dirigidas verticalmente se reflejan desde una capa determinada de la ionosfera [1]
  2. ↑ El máximo principal es la región de mayor concentración de electrones en la ionosfera, a una altitud de 250-400 km. La altura del máximo principal varía según la hora del día, la actividad solar y otras condiciones [4]
Fuentes
  1. ↑ Dymovich N. D., 1964 , Capítulo 2. La estructura de la ionosfera.
  2. ↑ 1 2 Ionosonde // Cosmonáutica: Enciclopedia / Cap. edición V. P. Glushko ; Consejo editorial: V. P. Barmin , K. D. Bushuev , V. S. Vereshchetin y otros.- M .: Enciclopedia soviética, 1985.
  3. ↑ Fenómenos ionosféricos (descripción) . Centro Mundial de Datos de Física Solar-Terrestre . Centro Geofísico de la Academia Rusa de Ciencias . Consultado el 8 de noviembre de 2021. Archivado desde el original el 31 de enero de 2020.
  4. ↑ G. P. Grudinskaya. Datos experimentales sobre la estructura de la ionosfera // Propagación de ondas de radio . - M. : Escuela Superior, 1975.
  5. ↑ Actas del IPG, 2008 , Prefacio.
  6. ↑ FC Judd, G2BCX. Propagación de ondas de radio (bandas HF  ) . - Londres: Heinemann, 1987. - Págs. 12-20, 27-37. - ISBN 978-0-434-90926-1 .
  7. ↑ 1 2 3 NP Danilkin. Sondeo de radio sistémico: la base para construir un servicio para monitorear el estado de la ionosfera  // Servicio ionosférico-magnético: colección. - L. : Gidrometizdat, 1987.
  8. ↑ 1 2 Yu. K. Kalinin, V. V. Alpatov, A. Yu. Repin, A. V. Shchelkalin. Cuestiones de sondeo vertical y oblicuo de la ionosfera  // Investigaciones heliogeofísicas. - 2018. - Emisión. 20 _ — ISSN 2304-7380 .
  9. ↑ 1 2 VNIIGMI-WDC, 2015 , Métodos principales de observaciones ionosféricas.
  10. ↑ VNIIGMI-WDC, 2015 , Método de sondeo de radio vertical de la ionosfera.
  11. ↑ VNIIGMI-WDC, 2015 , Método de sondeo de radio oblicuo de la ionosfera.
  12. ↑ VNIIGMI-WDC, 2015 , Sondeo de radio externo de la ionosfera.
  13. ↑ Actas del IPG, 2008 , Observaciones ionosféricas, p. 134-140.
  14. ↑ IONOZOND / IONOZOND . IKI RAS . Consultado el 28 de enero de 2022. Archivado desde el original el 28 de enero de 2022.
  15. ↑ A. V. Podlesnyi, A. A. Naumenko, M. V. Cedrik. Estimación del factor de acoplamiento de la antena para el problema del sonido de la ionosfera superior desde el espacio mediante señales chirp  //  Física solar-terrestre: revista. - 2019. - Vol. 5 , núm. 4 . - P. 101-107 . -doi : 10.12737 / stp-54201914 .
  16. ↑ Actas de IPG, 2008 , Sondeo de radio de la ionosfera desde la estación espacial MIR, p. 169-171.
  17. ↑ Se reanudan los trabajos en el proyecto Ionozond-2025 . Centro de prensa de IKI RAS . Consultado el 21 de diciembre de 2021. Archivado desde el original el 9 de julio de 2021.
  18. ↑ Complejo espacial "Ionozond" . Nave espacial "Ionosfera" . VNIIEM . Consultado el 21 de diciembre de 2021. Archivado desde el original el 12 de diciembre de 2021.
  19. ↑ Vasiliev G. V., Goncharov L. P., Danilkin N. P., Ivanov I. I., Kiselev G. N., Kovalev S. V., Kushnerevsky Yu. V., Smirnov S. D., Fligel M. D. Resultados preliminares del estudio del sondeo transionosférico del satélite "Interkosmos-19"  // Geomagnetismo y aeronomía: diario. - 1981. - T. 21 , N º 6 . - S. 1117-1120 .
  20. ↑ Actas de IPG, 2008 , Sondeo transionosférico, p. 83-90.
  21. ↑ Investigación de la ionosfera por el método de sondeo transionosférico . ESMIRAN . Consultado el 23 de diciembre de 2021. Archivado desde el original el 13 de julio de 2018.
  22. ↑ A. O. Kupriyanov, V. V. Tikhonov, D. A. Morozov, A. Yu. Perminov. Monitoreo operativo de parámetros ionosféricos en el área local basado en los resultados de mediciones GNSS multifrecuencia  . Geodesia y fotografía aérea. - 2018. - T. 62 , N º 6 .

Literatura